采空区斜交抽采钻孔参数的设计误区

李艳群 陈 昊

（铁法煤业〈集团〉有限责任公司晓明矿 辽宁 调兵山 112700）

1 采空区斜交钻孔抽采的理论基础

1.1 围岩移动“三带”划分与瓦斯抽采简析

煤层采动后，围岩发生不同程度的破坏和变形，开采层上部依次出现冒落带、裂隙带、弯曲变形带；下部产生裂隙带和膨胀变形带。

冒落带瓦斯抽采抽出的瓦斯浓度低，抽放利用率也较低。

图1

裂隙带是抽放上邻近层瓦斯的最佳地带，如图1所示，为沿煤层法线方向上采空区顶板冒落三带与瓦斯浓度分布的情况。顶板裂隙带为采空区斜交钻孔抽采主要作用区域。

靠近裂隙带的弯曲变形带因卸压程度低，还有较好的抽放瓦斯效果。受卸压作用影响煤层透气性有所增加，使抽放卸压瓦斯量比原始煤体高，抽出瓦斯浓度也较高。

1.2 卸压瓦斯“三期”划分与岩移“三区”划分

煤层开采后，矿压显现使煤体得到卸压，工作面前方超前影响对邻近层的瓦斯释放作用很小，起主导作用的是煤层开采后形成的冒落空间。采空区达到一定距离和时间后，伸张的岩石又逐渐被压实为压缩变形，由开始卸压经过充分卸压，最后达到稳定期的三个区段，如图2所示，也正是邻近层瓦斯从开始期经过活跃期最后达到衰退期的向采空区涌出的过程。卸压瓦斯“三期”相对应的赋存空间，即岩移“三区”；包括煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区。综合表示图如图3。

图2 沿工作面走向卸压的三个区段

图3 工作面岩移的“三区”与“三带”

2 回采期间斜交抽采钻孔参数的设计误区

抽采实践资料表明，沿工作面走向方向，煤壁前方（超过30m）至工作面后方40m左右，约两个煤层垂直层间距为开始期，因煤层围岩透气性低的特点，此段超前抽采效果不好；30～80m左右，约二倍层间距为活跃期，此段为瓦斯抽采主要作用段；80m往后为衰退期。抽放钻孔终孔落在活跃期时，抽出的瓦斯浓度高，而且流量稳定，服务时间较长。但有效钻孔小于50%，造成钻孔数目多，打钻工程量大。

斜交抽采钻孔设计参数包括开孔位置、孔深、倾角和方位角；在特定的钻场施工时，就是确定钻孔终孔点，确定相应的有效抽采区域，并以此选择确定钻孔的孔深、倾角和方位角。依据理论钻孔终孔点布置在瓦斯活跃期的裂隙带内，是理想的设计状态；合理的抽采状态应当是相邻两钻场的钻孔有效抽采区域在空间上能够重叠，并且前钻场的高浓度终点恰好接续下一钻场高浓度起点，即钻孔有效抽采空间重叠和抽采连续。

“三区”与“三带”的量化划分是理论推导和经验公式计算的区域划分；影响钻孔抽采效果的因素中，除周期来压步距有实际数据外，冒落带高度、裂隙带高度、顶板岩层跨落角无实际量化值；随着工作面的推进，瓦斯活跃期裂隙带的实际区 域也是变化、移动的，所以，钻孔终孔点不能反映动态工作面中钻孔实际有效抽采区域，在岩移裂隙带离层区，因岩层移动，原煤壁支撑影响区施工的钻孔也是弯曲下沉的，而非设计状态，加上成孔时的孔斜因素，都造成斜交钻孔空间上重叠不理想和实际抽采不接续或效果不佳。

上述分析反映出钻孔终孔点 （相应的有效抽采区域）的设计选择不合理，以静态的、理论性的、总体经验上的瓦斯活跃期裂隙带位置，来确定钻孔终孔点，即实际动态有效抽采区域，是斜交抽采钻孔设计的误区；以钻孔设计终孔点而非实际钻孔有效抽采区域来评价斜交抽采钻孔参数的的合理性，也是斜交抽采钻孔设计反馈评价的误区。

3 回采期间斜交抽采钻孔参数的设计

3.1 回采中卸压瓦斯“三期”有周期性和连续性

工作面推进到一定距离后，随着推进长度的增大，冒落高度基本不变，而裂隙带继续扩大。但在工作面均匀连续开采时，随周期来压步距的连续变化，采空区的“三带”高度及相应卸压瓦斯“三期”也成周期连续变化；在抽采钻场布置与周期来压步距同步或等比时，上一钻场钻孔的有效抽采区域也会周期出现在相应的空间位置。

3.2 抽放有效区域与各个抽放影响因素的关联值

实际工作中，冒落带高度、裂隙带高度、顶板岩层跨落角无实测量化值；钻孔弯曲下沉量、孔斜率也无实时动态量化值，瓦斯活跃期裂隙带的实际区域也是无法界定，但上述各量化值都可用工作面煤壁位置或煤层顶板位置为参照点或相对原点；同时，工作面抽采中的钻孔抽采效果可反映该钻孔是否在实际有效抽采区域，而此时钻孔在工作面煤壁上的倾向位置、法线位置都可以确定并量化，通过测量开孔点（回顺钻场）到工作面的实际距离及钻孔的倾角和方位角，可计算出具体值；此值，即钻孔在工作面煤壁上的倾向位置和法线位置值，是钻孔在实际有效抽采区域时通过工作面（煤壁）与各个无法量化因素联系的关联值。

钻孔的抽采效果可以测量和评价，这样就把无法测量的动态因素通过关联值量化；钻孔抽采率高的关联值区域，可以在下一抽采周期作为斜交抽采钻孔参数设计的原始依据；因此值来源于实测，有可靠的参考和依托性，避免了使用钻孔终孔点、“三期”、“三带”等模糊值进行设计参数。

在相同地质条件和相同钻孔施工工艺下，关联值的使用也可以消除采空区钻孔弯曲下沉和孔斜因素对抽放有效区域、钻孔抽采效果评价的影响，可提高对回采期斜交抽采钻孔参数优化选择。

图4 关联值进行斜交抽采钻孔参数设计剖面示意图

3.3 采用关联值进行斜交抽采钻孔参数设计

通过上一钻场（钻孔）或试验钻孔的抽放观测，评定选取抽放有效区域，测量此时开孔点（回顺钻场）到工作面的实际距离，根据钻孔的倾角和方位角，计算关联值或关联值区域，即钻孔在工作面煤壁上的倾向位置和法线位置值；然后根据回采推进度确定或预计工作面位置，再结合下一钻场（开孔位置），预计或图上量取开孔点（回顺钻场）到工作面的距离，计算出钻孔设计参数：钻孔设计倾角和钻孔设计方位角，如瓦斯活跃期界值取40米，孔深平距长度设计到预计工作面后（采空区）40米，根据钻孔设计倾角和钻孔设计方位角计算钻孔长度（斜长）。如图4、图5

图5 关联值进行斜交抽采钻孔参数设计平面示意图

4 结束语

采用关联值进行斜交抽采钻孔参数设计的方法，运用回采中卸压瓦斯“三期”有周期性和连续性理论，解决冒落带高度、裂隙带高度、顶板岩层跨落角无实测量化值及钻孔弯曲下沉量、孔斜率无实时动态量化值的问题；在实际工作中有可操作性，不具体界定瓦斯活跃期裂隙带的实际区域，就能采用关联值进行斜交抽采钻孔参数设计；在晓明矿北二采区上盘向斜构造上的四个长走向采场都有应用，仰采、俯采抽放效果良好。

［1］张铁岗.煤矿安全工程设计[M].

［2］张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].

［3］李国君，等.铁法矿区煤层气甲烷资源开发的理论基础[M].

［4］张德江.大力推进煤矿瓦斯抽采利用[M].